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Ebullioscopie, Cryoscopie, Pressionosmotique

 
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Ebullioscopie, Cryoscopie, Pressionosmotique
by nadia fertikh - Saturday, 11 April 2020, 11:32 AM
 

I-   Loi de Van’t Hoff

1)   Evaluation du point d’ébullition

Nous étudions la transformation d’un mélange Liqleft right double arrow vap

Dans le liquide nous savons qu’un des constituants (1) est grande quantité et que l’autre (2) en petite quantité,

-   Nous allons calculer l’élévation du point d’ébullition du solvant lorsqu’on y ajoute du soluté : nous partons de la relation de Gibbs-Helmoltz

      d ln x subscript 1 equals fraction numerator negative increment H subscript v a p end subscript superscript 0 over denominator R T squared end fraction d T        

x1= fraction molaire de (1) dans le liquide

ΔH subscript v a p end subscript superscript 0 = enthalpie de vaporisation du solvant pur

Nous intégrons cette équation entre 2 états ; l’un sera un état quelconque (x1) et l’autre le solvant pur (fraction molaire égale à 1). Pour la température, les bornes seront T température d’ébullition du mélange quelconque et Teb la température d’éb. Du solvant pur.

      space ln x subscript 1 equals fraction numerator increment H subscript v a p end subscript superscript 0 over denominator R end fraction open square brackets 1 over T minus 1 over T subscript e b end subscript close square brackets equals fraction numerator increment H subscript v a p end subscript superscript 0 over denominator R end fraction open square brackets fraction numerator T subscript e b end subscript minus T over denominator T T subscript e b end subscript end fraction close square brackets       

 

Teb –T = ΔT  (élévation du point d’ébullition).

Talmost equal to T T subscript e b end subscript almost equal to T subscript e b end subscript superscript 2  cette expression relie ΔT à la concentration en solvant. Nous voulons la relier à la concentration en soluté x subscript 1 equals 1 minus x subscript 2

 open parentheses T minus T subscript e b end subscript close parentheses equals R T subscript e b end subscript superscript 2 fraction numerator x subscript 2 over denominator increment H subscript v a p end subscript superscript 0 end fraction

 

La variation de Teb permet donc de calculer la fraction molaire x2 du soluté.

Comme   x subscript 2 equals fraction numerator n subscript 2 over denominator n subscript 1 plus n subscript 2 end fraction almost equal to n subscript 2 over n subscript 1 fraction numerator m subscript 2 cross times 1 k g over denominator 1 k g cross times begin display style 1 over M subscript 1 end style end fraction equals m subscript 2 M subscript 1

On définit alors la constante ébulliocopique Keb du solvant (1) telle que :

  open parentheses T minus T subscript e b end subscript close parentheses equals R T subscript e b end subscript superscript 2 fraction numerator x subscript 2 over denominator increment H subscript v a p end subscript superscript 0 end fraction equals R T subscript e b end subscript superscript 2 fraction numerator m subscript 2 M subscript 1 over denominator increment H subscript v a p end subscript superscript 0 end fraction equals K subscript e b end subscript m subscript 2

Avec      Keb = RTT subscript e b end subscript superscript 2 fraction numerator M subscript 1 over denominator increment H subscript v a p end subscript superscript 0 end fraction,    où R = constante des GP, M subscript 1 la masse molaire du solvant, m subscript 2 la molalité du soluté en mol / kg et increment H subscript v a p end subscript superscript 0 l’enthalpie de vaporisation molaire du solvant.

Keb est la constante d’élévation molaire du point d’ébullition, elle ne dépend que des propriétés du solvant et pas de celles du soluté.

2)   Abaissement du point de congélation

Dans le cas de l’équilibre solide left right double arrow  liquide, nous avons : dln x subscript 1 equals negative fraction numerator increment H subscript f superscript 0 over denominator R T squared end fraction

 

Par intégration nous avons,

lnx subscript 1 equals fraction numerator increment H subscript f superscript 0 over denominator R end fraction open square brackets 1 over T minus 1 over T subscript f close square brackets 

Tf  = température de congélation du solvant pur

T = température de congélation de la solution

 ln x subscript 1 equals negative increment H subscript f superscript 0 open square brackets fraction numerator T subscript f minus T over denominator T T subscript f end fraction close square brackets

ΔT =open parentheses T subscript f minus T close parentheses, abaissement du point de congélation du solvant pur, lorsqu’on ajoute du soluté,

 ln x subscript 1 equals negative fraction numerator increment H subscript f superscript 0 over denominator R T subscript f superscript 2 end fraction increment T

Si much less-than 1  nous avons encore ΔT=fraction numerator R T subscript f superscript 2 over denominator increment H subscript f superscript 0 end fraction x subscript 2  si nous passons aux molalités, increment T equals fraction numerator R T subscript f superscript 2 over denominator 1000 increment H subscript f superscript 0 end fraction m subscript 2

 

ΔT=K subscript f m subscript 2  avec K subscript f equals fraction numerator R T subscript f superscript 2 over denominator 1000 increment H subscript f superscript 0 end fraction M subscript 1

Exemple : On ajoute 30g de sucre dans 100g d’eau. La solution bout à 100,45°C sous 1atm. Quelle est la masse molaire de ce sucre ?

ΔT = 100,45 – 100 = 0,45                                                                                                      

La masse molaire de sucre pour 1000g d’eau est 30x10=300g, M subscript 1 equals 300 cross times fraction numerator 1 over denominator 0 comma 878 end fraction = 342g,    

3- Pression Osmotique

Ce phénomène fait intervenir une membrane semi-perméable qui laisse passer les petites molécules et arrête les grosses.

Lorsqu’une solution est séparée du solvant pur par une membrane semi-perméable (voir figure), on observe que le solvant traverse la membrane et va dans la solution, ceci jusqu’à ce que le liquide ait atteint un certain niveau dit d’équilibre.

                              

                                                                                    

La hauteur h correspond à la pression osmotique Π.
La membrane semi-perméable laisse passer le solvant mais ne laisse pas passer le soluté.

 

 La pression hydrostatique de la solution est supérieure à celle du solvant pur le produit, π = ρgh  donne la pression excédentaire de la solution qui est la pression « Osmotique » 

ρ = masse volumique de la solution. Lorsqu’il ya équilibre le potentiel chimique du solvant est le même des deux côtés de la membrane.  

Du côté du solvant  mu subscript i equals mu subscript i superscript 0  du côté de la solution si la pression ne changeait pas,

mu equals mu subscript i superscript 0 plus +RTlnx subscript i

La pression change (apparition de la pression osmotique)

open parentheses fraction numerator partial differential G over denominator partial differential P end fraction close parentheses subscript T equals V

On sait que

Nous sommes à T constante  dG = VdP

L’accroissement d’enthalpie libre est due à la pression osmotique

stack increment G with bar on top equals stack increment V subscript 0 with bar on top integral subscript 0 superscript pi with bar on top end superscript d P =pi with bar on top stack V subscript 0 with bar on top  

 stack V subscript 0 with bar on top = volume molaire du solvant que nous supposons indépendant de pi with bar on top Nous avons donc dans la solution mu subscript i equals mu subscript i superscript 0  +RTlnx subscript i plus top enclose pi stack V subscript 0 with bar on top

L’égalité des potentiels chimiques entraine

top enclose top enclose pi end enclose top enclose V subscript 0 end enclose = - RTlnx subscript blank subscript 1 end subscript or x subscript 1 equals 1 minus x subscript 2

top enclose pi top enclose V subscript 0 end enclose equals negative R T ln open parentheses 1 minus x subscript 2 close parentheses  comme la solution est diluée x subscript 2 much less-than 1

 top enclose pi top enclose V subscript 0 end enclose end enclose equals R T ln x subscript 2 nous avons par ailleurs, x subscript 2 equals fraction numerator n subscript 2 over denominator n subscript 1 plus n subscript 2 end fraction almost equal to n subscript 2 over n subscript 1 et top enclose V subscript 0 end enclose equals V over n subscript 1

 n subscript 1= nombre de moles de solvant dans la solution

n subscript 2  = nombre de moles de soluté dans la solution.

  top enclose piV over n subscript 1 equals R T n subscript 2 over n subscript 1               

  top enclose piequals fraction numerator R T over denominator V end fraction n subscript 2  , analogie avec l’équation des GP

Elle nous permet de calculer la masse molaire d’un soluté. On l’utilise surtout pour déterminer la masse molaire des hauts polymères car il ne passe pas à travers la membrane.

Exemple

Un haut polymère synthétique pesant 5,2 g est dissout dans un litre de benzène. La pression osmétique mesurée dans un osmomètre est 4.10-3 à 25°C. Quelle est la masse molaire du polymère ?

π =fraction numerator R T over denominator V end fraction n subscript 2      n subscript 2 equals fraction numerator pi V over denominator R T end fractionequals fraction numerator 4.10 to the power of negative 2 end exponent over denominator 298 x 8 comma 2 end fraction x 10 to the power of negative 3 end exponent equals 1 comma 61.10 to the power of negative 4 end exponent

Mequals m over n subscript 2 equals fraction numerator 5 comma 2 over denominator 1 comma 61 end fraction 10 to the power of 4                              M = 32300 g